Java Agent 动态修改字节码详情

假设您有一个在生产环境中运行的应用程序。每隔一段时间，它就会进入中断状态，错误很难重现，您需要从应用程序中获得更多信息。

那么你想知道解决方案吗？

您可以做的是动态地将一些代码集附加到应用程序中，并仔细地重写它，以便代码转储您可以记录的其他信息，或者您可以将应用程序阶段转储到文本文件中。Java为我们提供了使用Java Agent实现这一点的工具。

你有没有想过我们的Java代码是如何在IDE中进行热交换的？这是因为特工。关于Java Agent的另一个有趣的事实是，应用程序探查器在后端使用相同的技术来收集内存使用情况、内存泄漏和方法执行时间的信息。

1、什么是Java Agent

Java Agent是一种特殊类型的类，通过使用Java Instrumentation API，它可以拦截JVM上运行的应用程序，修改它们的字节码。Java Agent非常强大，也非常危险。

在开始之前，我将解释Java Agent如何使用简单的HelloWorld示例拦截类。

public class Hello {
    public static void main(String[] args){
        System.out.println("hello world");
    }
}

如下图所示：

类加载器负责将类从二进制加载到内存中。运行编译后的HelloWorld应用程序（HelloWorld.class）时，可以将Agent视为在运行时拦截类加载器行为的一种方式。您可能会想，java字节代码是如何被重新构造的，以便Agent可以在正确的位置添加相关代码的。有趣的是，对于Java程序来说，字节码的结构非常接近原始Java程序源代码。因此，虽然我们不为Java程序本身添加工具，但我们使用了它的一个非常接近的表示形式。需要注意的是，有一些非Java语言可以编译成Java字节码（如Scala、Clojure和Kotlin），这意味着程序字节码的结构和形状可能会非常不同。

2、实现Java Agent

JavaAgent基于来自Java平台的facility，它的入口点是Java.lang instrument包，它提供了允许Agent为JVM上运行的程序提供工具的服务。该包非常简单且自包含，因为它包含两个异常类、一个数据类、类定义和两个接口。在这两种方法中，如果我们想编写Java Agent，我们只需要实现classFileTransformer接口。

定义代理有两种方法。

第一个是静态代理，这意味着我们构建Agent代理，将其打包为jar文件，当我们启动Java应用程序时，我们传入一个名为java agent的特殊JVM参数。然后我们给它代理jar在磁盘上的位置，然后JVM发挥它的魔力。

$ java -javaagent:<path of agent jar file> -jar <path of the packaged jar file you want to intecept>

我们需要添加一个特殊的清单条目，称为pre-main类，当然，这是一个完全限定的名称类定义。

Premain-Class : org.example.JavaAgent

这个类看起来像这样

public class JavaAgent {
    
    public static void premain(String agentArgs, Instrumentation instrumentation) throws InstantiationException {
        InterceptingClassTransformer interceptingClassTransformer = new InterceptingClassTransformer();
        interceptingClassTransformer.init();
        instrumentation.addTransformer(interceptingClassTransformer);
    }
}

premain方法接受两个参数：

• agentArgs—字符串参数，用户选择作为参数传递给Java Agent调用的任何参数。
• instrumentation来自java.lang instrument包，我们可以添加一个新的ClassFileTransformer对象，它包含Agent的实际逻辑。

第二个选项称为动态代理。

我们可以做的不是检测启动应用程序的方式，而是编写一小段代码，接收并连接到现有JVM，并告诉它加载某个代理。

VirtualMachine vm = VirtualMachine.attach(vmPid);
vm.load(agentFilePath);
vm.detach();

此参数agentFilePath与静态代理方法中的参数完全相同。它必须是agent jar的文件名，因此没有输入流也没有字节。这种方法有两个警告。第一个是，这是生活在com.sun空间下的私有API，它通常适用于热点实现。第二个问题是，使用Java9进行排序时，您不能再使用此代码连接到它正在运行的JVM。

2.1 类转换

这是我们需要为agent实现的接口，以便转换类。

public interface ClassFileTransformer {
    byte[] transform(ClassLoader loader, 
                     String className, 
                     Class<?> classBeingRedefined,
                     ProtectionDomain protectionDomain, 
                     byte[] classfileBuffer) 
            throws IllegalClassFormatException;
}

这有点多，但我将解释方法签名中的必要参数。第一个重要的是类名。此参数的主要目的是帮助查找并区分要拦截的正确类和其他类。显然，您可能不想截取应用程序中的每个类，最简单的方法是使用条件语句进行检查。

然后是类加载器，它主要用于基本应用程序没有平坦类空间的环境中，您可能不需要查看它，但一旦遇到更复杂或模块化的平台，您就需要查看类加载器。classfileBuffer是检测前类的当前定义。要截取它，您需要使用库读取这个字节数组并截取代码，然后必须再次转换回字节码才能返回。

有几个字节码生成库。您需要进行研究，并根据它是高级API还是低级API、社区大小和许可证自行决定。我放在下面的演示是Javassist，因为我认为它在高级和低级API之间有一个很好的平衡，并且是一个三重许可证，所以几乎任何人都可以使用它。这

就是ClassFileTransformer实现的主体。

@Override
public byte[] transform(ClassLoader loader, ..)
        throws .. {
    byte[] byteCode = classfileBuffer;
    // If you wanted to intercept all the classs then you can remove this conditional check.
    if (className.equals("Example")) {
        try {
            ClassPool classPool = scopedClassPoolFactory.create(loader, rootPool,
                    ScopedClassPoolRepositoryImpl.getInstance());
            CtClass ctClass = classPool.makeClass(new ByteArrayInputStream(classfileBuffer));
            CtMethod[] methods = ctClass.getDeclaredMethods();
            for (CtMethod method : methods) {
                if (method.equals("main")) {
                    method.insertAfter("System.out.println(\"Logging using Agent\");");
                }
            }
byteCode = ctClass.toBytecode();
            ctClass.detach();
        } catch (Throwable ex) {
            log.log(Level.SEVERE, "Error in transforming the class: " + className, ex);
        }
    }
    return byteCode;
}
ctClass.detach();
        } catch (Throwable ex) {
            log.log(Level.SEVERE, "Error in transforming the class: " + className, ex);
        }
    }
    return byteCode;
}

在这里，从类池中，我们可以直接绕过classfileBuffer获取类，因为我想使用main方法。我们循环遍历类定义中的所有方法，得到我们想要的类。我们根本不需要使用字节码。我们可以简单地向它传递一些合法的Java代码，然后Javassist将编译它，生成新的字节码，并给出定义。

有三种方法可以向方法中插入一些Java代码。insertAfter（..）在正文末尾插入字节码。它在正文的末尾插入字节码。insertAt（..）在正文的指定行插入字节码，insertBefore（..）在正文的开头插入字节码。

2.2 使用Java代理进行实际操作

从指定的链接下载示例应用程序和Java Agent。

使用进入路径并执行命令mvn clean install来构建这两个repo

现在，您将获得目标中的jar文件。复制示例应用程序中.jar文件的路径，并复制Java Agent中-dependencies.jar文件的路径。

首先，使用命令$java-jar<path of the packaged jar>仅与示例应用程序一起运行应用程序，并观察输出。Hi I am main。将在控制台中打印。

然后，使用命令$ java -javaagent:<path of agent jar file> -jar <path of the packaged jar
file you want to intercept>并观察输出。将在控制台中另外打印使用代理的日志记录。这确保java agent被拦截并添加到main方法的主体中。

总之，如果要实现Java Agent，请执行以下操作：

1. 您需要创建两个Java类。一个是premain方法（JavaAgent），另一个是扩展ClassFileTransformer的类（CustomTransformer）

2. 在premain方法的主体内，需要添加扩展ClassFileTransformer的类的对象

3. 然后，您需要在CustomTransformer中的重写方法transform中添加逻辑。

4. 在转换方法内转换字节码时，可能需要根据用途使用字节码生成库。

5. 您需要在清单中指定premain类并构建jar。

6. 使用javaagent标记将代理加载到要拦截的应用程序中。

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